Titanové slitiny v leteckém průmyslu

Letecká doprava se stala nedílnou součástí našeho každodenního života – ať už jde o logistiku leteckého nákladu nebo cestování letadlem. Když se podíváme k nebi a sledujeme letadla, která přeletují nad námi, vyskytne se přirozená otázka: z jakých materiálů jsou postavena letadla, která dokáží nést tak obrovské náklady a provozovat se ve vysokých nadmořských výškách?
Podívejme se na materiály, které stojí za touto pozoruhodnou schopností.

Přehled titanu

V roce 1948 společnost DuPont úspěšně dosáhla průmyslové výroby titanové pěny pomocí procesu redukce hořčíkem, čímž byl položen základ důležitého milníku v historii titanových materiálů. Od té doby se titanové slitiny široce uplatňují v různých odvětvích díky svým vynikajícím fyzikálním vlastnostem, mezi něž patří vysoká měrná pevnost, vynikající odolnost proti korozi a vynikající tepelná odolnost .

Je třeba poznamenat, že titan je hojně zastoupený prvek v zemské kůře, kde zaujímá deváté místo v pořadí celkové hojnosti , což je výrazně více než u běžně používaných kovů, jako jsou měď, zinek a cín. Je rozšířený v mnoha typech hornin, zejména v píscích a jílech, kde jsou jeho zásoby zvláště významné.

Vlastnosti titanu

Titan vykazuje řadu výjimečných vlastností, mezi něž patří vysoká pevnost, vysoká tepelná pevnost, vynikající odolnost proti korozi, vynikající chování za nízkých teplot a silná chemická aktivita .

Konkrétně je pevnost titanu výrazně vyšší než pevnost hliníkových slitin, hořčíkových slitin a nerezových ocelí, čímž se řadí mezi nejvýjimečnější konstrukční kovy. Titanové slitiny také vykazují vynikající výkon při zvýšených teplotách, přičemž provozní teploty jsou výrazně vyšší než u hliníkových slitin a mohou udržovat dlouhodobý výkon při 450–500 °C .

Kromě toho titan vykazuje vynikající odolnost vůči kyselinám, zásadám a atmosférické korozi, zejména silnou odolnost proti bodové korozi a koroznímu praskání pod napětím při nízkých teplotách si titanové slitiny, jako například TA7 zachovávají dobrou tažnost a mechanické vlastnosti i při teplotách tak nízkých jako –253 °C .

Titan však projevuje vysokou chemickou reaktivitu při zvýšených teplotách a snadno reaguje s plyny ve vzduchu, jako je vodík a kyslík, čímž vznikají ztvrdlé povrchové vrstvy. Navíc mají titanové slitiny poměrně nízkou tepelnou vodivost – přibližně čtvrtina hodnoty pro nikl, pětina hodnoty pro železo a jedna čtrnáctina hodnoty pro hliník —zatímco jejich modul pružnosti je přibližně polovina hodnoty pro ocel . Tyto vlastnosti činí titan nezbytným v mnoha pokročilých technických aplikacích.

Klasifikace a aplikace titanových slitin

Titanové slitiny lze podle jejich aplikací klasifikovat jako slitiny odolné proti vysokým teplotám, slitiny s vysokou pevností, slitiny odolné proti korozi (např. slitiny Ti-Mo a Ti-Pd), slitiny pro nízké teploty , a speciální funkční slitiny , včetně titan–železných materiálů pro ukládání vodíku a titan–niklových slitin s tvarovou pamětí.

Ačkoli je historie používání titanových slitin poměrně krátká, jejich vynikající vlastnosti jim zajistily řadu ocenění, mezi něž patří i titul „kosmický kov“. Tento název vyplývá z jejich nízké hmotnosti, vysoké pevnosti a vynikající odolnosti vůči vysokým teplotám, čímž se stávají ideálními materiály pro letadla a kosmická vozidla.

V současné době přibližně tři čtvrtiny celosvětové produkce titanu a titanových slitin jsou využívány v leteckohorském průmyslu , přičemž mnoho dílů, které dříve byly vyráběny z hliníkových slitin, je nyní nahrazováno titanovými slitinami.

Letecké aplikace

Titanové slitiny jsou klíčovými materiály při výrobě letadel a motorů. Jsou široce používány v kovovaných součástech ventilátoru, kotoučích a lopatkách kompresoru, pláštích motorů a výfukových systémech , stejně jako konstrukční součásti, například rámy a přepážky .

V letecké a kosmické technice vysoká měrná pevnost, odolnost proti korozi a výkon při nízkých teplotách titanových slitin činí tyto materiály ideálními pro tlakové nádoby, palivové nádrže, spojovací prvky, upevňovací pásy pro přístroje, konstrukční rámy a trupy raket . Svařované konstrukce z titanových slitin jsou široce používány v umělých družicích, lunárních modulech, pilotovaných kosmických lodích a raketoplánech .

V roce 1950 Spojené státy poprvé použily titanové slitiny v letounu F-84 (bojový bombardér) , a to pro nestrukturální (nepřenášející zatížení) součásti, jako jsou tepelné štíty zadní části trupu, vzduchovody a aerodynamické obalové kryty ocasní části. Od 60. let 20. století se použití titanových slitin rozšířilo z oblasti zadní části trupu na střední část trupu, kde částečně nahradily konstrukční ocel v přepážkách, nosných nosnících a kolejnicích křidélek .

Do roku 1970, kdy došlo k sériové výrobě civilních letadel, jako je například Boeing 747 , se využití titanu dramaticky zvýšilo. Samotný Boeing 747 obsahoval více než 3 640 kg titanu , což představuje přibližně 28 % hmotnosti konstrukce letadla . Slitiny titanu se také začaly intenzivně používat v raketách, satelitech a kosmických lodích.

Obráběcí vlastnosti slitin titanu

Za prvé mají slitiny titanu relativně nízkou tepelnou vodivost – pouze přibližně jednu čtvrtinu tepelné vodivosti oceli, jednu třináctinu hliníku a jednu dvacetpátinu mědi během obrábění je proto odvod tepla a chlazení neefektivní, což vede k vysokým teplotám soustředěným v řezné zóně . To může způsobit deformaci obrobku a jeho elastickou rekuperaci, zvýšit řezný krouticí moment, urychlit opotřebení řezné hrany nástroje a výrazně snížit životnost nástroje.

Za druhé, protože řezné teplo je soustředěno v blízkosti řezné hrany a nemůže se rychle odvést, zvyšuje se tření na čelní ploše nástroje, čímž se ztěžuje odvod třísek a dále se urychluje opotřebení nástroje.

Nakonec při zvýšených teplotách výrazně stoupá chemická aktivita titanových slitin. Mají tendenci reagovat s materiálem nástroje, což vede k adhezi, difuzi a tvorbě nánosu . Tyto jevy mohou způsobit přilepení nástroje, jeho poškození („spálení“) nebo lom, čímž zásadně ovlivní jakost a účinnost obrábění.

Výhody obráběcích center

Obráběcí centra dokáží současně zpracovávat více součástí, čímž výrazně zvyšují výrobní efektivitu. Jejich vysoká přesnost zaručuje vynikající konzistenci výrobků a díky funkcím kompenzace nástrojů lze plně využít vnitřní přesnost obráběcího stroje.

Obráběcí centra také nabízejí silnou přizpůsobivost a flexibilitu , snadno zvládají obrábění oblouků, zaoblení hran a přechodů se zaoblením. Ještě působivější je jejich podpora víceúčelových operací , včetně frézování, vrtání, vyvrtávání a řezání závitů – vše na jediném stroji.

Z hlediska kontroly nákladů umožňují obráběcí centra přesné účtování nákladů a plánování výroby, eliminují potřebu specializovaných upínačů, snižují celkové náklady a zkracují výrobní cykly. Dále také výrazně snižují fyzickou zátěž zaměstnanců a mohou být bezproblémově integrována s CAM softwary, jako je například UG (NX) provádět víceosové obrábění.

Výběr řezných nástrojů a chladicích kapalin

Výběr vhodných řezných nástrojů a chladicích kapalin je kritický při obrábění titanových slitin. Materiály nástrojů musí vykazovat vysoká tvrdost a odolnost proti vyhlodávání zajištění účinného odstraňování materiálu. Výběr chladicí kapaliny má přímý vliv na kvalitu a účinnost obrábění – vhodné chladicí kapaliny snižují tření a řezné teplo, prodlužují životnost nástrojů a zvyšují přesnost obrábění.

1. Požadavky na materiál nástroje

• Tvrdost nástroje musí být výrazně vyšší než tvrdost titanových slitin, aby bylo možné provádět účinné řezání.
• Nástroje musí mít dostatečnou pevnost a houževnatost, aby odolaly vysokému kroutícímu momentu a řezným silám.
• Vzhledem k vysoké houževnatosti titanových slitin musí být řezné hrany stále ostré; proto je vyžadována vynikající odolnost proti opotřebení za účelem minimalizace tvárného zpevnění.

2. Výběr geometrie frézy

Vzhledem ke specifickým charakteristikám obrábění titanových slitin se geometrie frézy výrazně liší od běžných nástrojů.
A menší úhel šroubovice (β) je doporučeno ke zvýšení objemu závitů, zlepšení odvádění třísek a zlepšení odvodů tepla.

3. Výběr řezných parametrů

Při obrábění titanových slitin je třeba použít nižší řezné rychlosti kombinované s vhodnými posuvy, rozumnými hloubkami řezu a kontrolovanými přídavky na dokončování.

4. Výběr a použití chladiva

Je třeba se vyhnout chladivům obsahujícím chlor, aby se zabránilo vzniku toxických látek a vodíkové křehkosti, stejně jako snížilo riziko napěťové korozní trhliny při vyšších teplotách.
Doporučuje se používat syntetické vodou ředitelné emulze nebo speciálně formulované chladicí kapaliny vhodné pro obrábění titanových slitin.